A reaktív gátak tervezését támogató méretezési protokoll kidolgozása és kapcsolódó eszközfejlesztési és labormérési program bemutatása

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Hidrogeológiai Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék A reaktív gátak tervezését támogató méretezési protokoll kidolgozása és kapcsolódó eszközfejlesztési és labormérési program bemutatása Diplomaterv Készítette: Székely István Szakirány: Hidrogeológus mérnök MSc. Miskolc, 2013 Tanszéki konzulens: Dr. Madarász Tamás egyetemi docens Beadás dátuma: május 8.

2 Tartalomjegyzék: Bevezetés Az új típusú reaktív gát bemutatása A gáttervezés folyamata Előzetes ellenőrző lista Anyagmérleg alapú megközelítés Paraméteres méretezési protokoll Környezetbe illesztés Kémiai kompatibilitás A gát geometriai méretének és élettartamának meghatározása Transzportfolyamatok elemei A méretezést segítő mérések (DKSpermeabiméterrel) A DKSpermeabiméter bemutatása A DKSpermeabiméter részei és működése Diffúzió mérése DKSpermeabiméterrel Adszorpció mérése DKSpermeabiméterre Az új fejlesztésű adszorpciós, illetve diffúziós cellák kifejlesztése Az új fejlesztésű adszorpciós cella Az új fejlesztésű diffúziós cella A cella üzembe helyezésének és tesztüzemének eredményei, tapasztalatai: A méretezést segítő mérések fejlesztésére tett javaslatok, távlati célok I

3 7. Összefoglalás Summary,Conclusion Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék Ábrajegyzék Mellékletjegyzék Mellékletek II

4 Bevezetés A felszín alatti vízszennyezések kárelhárítása napjainkban egyre fontosabb feladattá vált az ivóvíz készleteink védelmének érdekében. A kárelhárítás megvalósításához egyre több és újabb technológiákat dolgoznak ki a jobb hatásfok és gazdaságosság eléréséhez. A reaktív gátak (Permeable Reactive Barier; PRB) alkalmazása a kármentesítési eljárásokban egy igen új és kevésbé ismert technológia. A PRB egy olyan felszín alatti műtárgy, amely jelentős energiaigény és felügyelet nélkül, a természetes talajvíz áramlását kihasználva elvégzi a szennyező csóva megtisztítását.[1] Tervezésük azonban már egy összetett és bonyolult munkafolyamat. Nem létezik és nem is lehet felállítani egy általános standerdet, ami bármely helyzetben alkalmazható a reaktív gátak kivitelezésére. Azt viszont ismerjük, vagy mérésekkel igazolhatjuk, hogy melyek azok a környezeti paraméterek, amelyek befolyásolják a gát működőképességét. A diplomamunkámban ismertetem az Innocsek program, valamint a TÁMOP4.2.1.B 10/2/KONV jelű projekt keretében elvégzett, a reaktív gátak tervezését segítő kutatási eredményeimet, valamint az ezeket az adatokat magába foglaló méretezési protokollt. Aminek az elkészítésénél a célom a tervezői munka megkönnyítése és az elvégzendő feladatok ismertetése volt. A méretezési protokoll kidolgozása közben, világossá vált számomra, hogy a talajvízbe került szennyezőanyagok transzportfolyamatai, milyen fontos hatással vannak a reaktív gátak paramétereire. A Miskolci Egyetemen futó KÚTFŐ projekt kutatócsapatához csatlakozva, olyan laboreszközök fejlesztésén, tervezésén és kivitelezésén dolgoztam, amelyek a transzportparaméterek mérésére alkalmasak. Jelen dolgozat a fent említett méretezési protokoll bemutatása mellett egy új típusú DKSpermeabiméter ismertetését is tartalmazza, amely alkalmas szennyezőanyagok terjedési mechanizmusának laboratóriumban történő meghatározására. A DKS permeabiméter tesztüzemének elvégzése során szerzett tapasztalatokat felhasználva több, a transzport paraméterek meghatározására alkalmas berendezések fejlesztése és kivitelezése indult el, amelyek bemutatása és tesztüzemük eredményei a diplomamunkámnak szintén szerves részét képezik. 1

5 1. Az új típusú reaktív gát bemutatása Az elmúlt évszázad gyors ipari fejlődése sokáig nem vett tudomást, hogy milyen környezeti károkat okoz. A meddőhányók és iparterületek által szennyezett területek megtisztítása napjainkra egyre fontosabbá vált, az ivóvízkészletek védelme érdekében. Egyre több terület megtisztítására dolgoznak ki kárelhárítási terveket és ennek megfelelően választják ki a legjobban alkalmazható technológiákat. A jobb hatásfok és költséghatékonyság érdekében új technológiákat is kifejlesztettek. Ezek közé a kármentesítési technológiák körébe tartozik a reaktív gátak (Permeable Reactive Barier; PRB) alkalmazása. A PRBket a 90es évektől kezdődően kezdték egyre elterjedtebben alkalmazni a szennyezett területek felszín alatti vízszennyezések felszámolására. A reaktív falak terjedését jól jellemzi, hogy 2005ig mindössze körülbelül 200 darab épült az egész világon, ebből közel 120 az USAban. Magyarországon a legismertebb ilyen gátat 2002ben a mecseki uránérc bányászat által szennyezett talajvizek tisztítására építették Pécs közelében. [1] 1. ábra Reaktív falak elvi működése [2] A PRB egy olyan felszín alatti műtárgy, amely jelentős felügyelet és energiaigény nélkül, a természetes talajvíz áramlását kihasználva elvégzi a szennyező csóva megtisztítását (működését az 1. ábra szemlélteti). Előnye a pumpandtreat eljárással szemben, hogy körültekintő tervezés után, viszonylag egyszerűen kialakítható és a korában elszennyezett terület mihamarabb használhatóvá válik. [3] 2

6 Ez az újnak mondható technológia nagyon sok még kiaknázhatatlan lehetőséget hordoz magában. A töltet anyagának változtatásával és több reaktív fal kombinálásával egy komplex megoldást jelenthet a jövőben a környezeti kockázatok csökkentésére. 2009ben a Miskolci Egyetemen a Hidrogeológiai Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, a Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet és a Kémiai Intézeti Tanszék közreműködésével indult egy kutatás a Három Kör Delta Kft. finanszírozásával, amely egy új típusú reaktív gát fejlesztését tűzte ki célul a talajvízszennyezések kármentesítésére. A célkitűzés egy olyan új fejlesztésű reaktív gát volt, amely talajvízszennyezések kármentesítésénél jó hatásfokkal alkalmazható és a következő elvárásoknak megfelel: újszerű töltetanyaga miatt rendkívül gazdaságosan alakítható ki és üzemeltethető természetes alapanyagú töltetet tartalmaz (huminsav tartalmú természetes anyagok, például: lignit vagy tőzeg) a teljes életciklus minden fázisát figyelembe véve tervezett, azaz a töltet kimerülése után visszanyerhető és újrahasznosítható, például energetikai célokra megfelel a kármentesítéssel szemben támasztott szakmai és jogi követelményeknek Tehát a kutatás célja az volt, hogy egy olyan műszaki beavatkozást fejlesszen ki, amely lényegese alacsonyabb költségszinten és rövidebb idő alatt biztosíthatja a korábban elszennyezett területek használatbavételét, és költséghatékony üzemelés mellett teljesíti a humán hatásviselők, az ökoszisztéma és a környezeti elemek megfelelő védelmét. A hagyományos PRB alkalmazásoknál elterjedten használnak a töltet anyagaként aktív szenet, amelynek köztudottan jó a szennyezőanyag megkötő képessége és a legtöbb esetben jól regenerálható, viszont nagyon költséges eljárás.[4] A projektben alkalmazandó természetes anyagú töltetek (lignit vagy tőzeg) bekerülési költsége legalább egy nagyságrenddel kisebb az aktív szén töltetétől. Szennyezés visszatartó képessége (CRC) laboratóriumi kísérletek által igazolva körülbelül 30%át éri el az aktív szenekének [5]. A költségeket tovább csökkenti még, hogy a költséges regenerálás helyett a töltetanyagot energetikai célokra, vagy más eljárásokban újra felhasználjuk (pl.: cementgyártás) Töltetanyag cseréje esetén olcsó és nagy mennyiségű ásványi szenek és a szenet tartalmazó hulladékok állnak rendelkezésre. Ezek az anyagok megfelelő kezelés és adalékok hozzáadása után reaktív permeábilis gáttá, illetve impermeábilis gátakká képezhetőek. Előzetes becslések alapján a kármentesítést végző számára ez a technológia 40 50%kal olcsóbb, mint a pump and treat technológia. [3] 3

7 Ezeknek az előnyöknek köszönhetően az új típusú reaktív gát jól alkalmazható eljárás lenne barnamező rehabilitációs projektekben, ahol a talajvízbe került nehézfémek kármentesítése szükségszerűvé válik. Én 2010ben csatlakoztam a projekthez, amiben a feladatom egy, a reaktív gátak tervezését segítő méretezési protokoll kidolgozása volt. Munkám során áttekintettem a PRBkel kapcsolatos szakirodalmat, valamint a töltetfejlesztés során kapott adatokat. A gáttervezés folyamatát a következő fejezetben részletesen ismertetem. 2. A gáttervezés folyamata A gáttervezés folyamata egy négy részből felépülő munkafázis, amit az 2. ábra szemléltet. Ennek elemei: Ellenőrző lista Anyagmérleg alapú megközelítés Paraméteres méretezési protokoll Fél üzemi kísérlet Az egyes részek időrendi sorrendben haladva veszik figyelembe a gát tervezéséhez szükséges és rendelkezésre álló adatokat, valamint ezek egymásra hatását. Minden részfolyamat elvégzése után választ kapunk egy nagyon fontos kérdésre, miszerint a gát az adott körülmények között alkalmazható, vagy sem. Amennyiben a kérdésekre kapott válasz igen, a gát alkalmazható az adott kármentesítési probléma megoldására. Ebben az esetben haladhatunk tovább a gát tervezésében. A folyamatábra első két része (az ellenőrző lista és az anyagmérleg alapú megközelítés) főként a gát megvalósíthatóságának kérdésére ad választ, míg az utolsó két része (a paraméteres méretezési protokoll és a fél üzemi kísérlet) a gát tervezéséhez szükséges paraméterekről ad információt (pl.: töltet szemcsemérete, a gát vastagsága, szivárgási tényezője, stb.) A reaktív gát tervezése egy összetett és bonyolult munkafolyamat. Nem létezik és nem is lehet felállítani egy általános standardet, ami bármely helyzetben alkalmazható. Azt viszont ismerjük, hogy melyek azok a környezeti hatások, amik befolyásolják a gát paramétereit és azt is tudjuk, vagy vizsgálatok segítségével igazolhatjuk, miként hatnak ezekre a paraméterekre. Ezt felhasználva készült el ez a méretezési füzet megkönnyítve a tervezési munkát. 4

8 A protokoll egyes elemei elkülöníthetőek, mint környezeti input paraméter, valamint gát paraméter (output). Az input paramétereket változtatni nem tudjuk, maximum csak mérsékelhetjük őket (pl.: ph változtatása egy puffer zóna kialakításával a gátfal előtt), ami viszont plusz költségeket jelent. Ezzel szemben a gát paramétereit változtathatjuk, változtatnunk kell a környezeti adottságok miatt, mert egy output paraméter megváltozása is hatással van az egész rendszerre. Ennek következtében körültekintően kell eljárni és meg kell ismerni az output paraméterek egymásra gyakorolt hatását is. Célszerű tehát egy iterációs folyamatként tekinteni a gáttervezésre és az adott input paraméterek mellé választani kell output paramétereket kezdő értéknek (pl.: gátvastagság, töltet szemcsemérete). A továbbiakban bemutatásra kerülnek a fent említett pontok és részletes leírásuk, melyeket követve megkapjuk a reaktív gát tervezéséhez szükséges adatokat. [6] 5

9 I. Ellenőrző lista IGEN Alkalmazható az új típusú PRB? NEM A gát nem megvalósítható II. Anyagmérleg alapú megközelítés IGEN IGEN A becsült adatok alapján képes a töltetanyag a szennyeződés megkötésére? NEM A gát nem megvalósítható III. Paraméteres méretezési protokol IGEN IGEN Reálisan megoldható az eljárással a kármentesítés? NEM A gát nem megvalósítható IV. Fél üzemi kísérlet 2. ábra A gáttervezés folyamata 6

10 2.1. Előzetes ellenőrző lista A reaktív gát bonyolult és összetett mérnöki tervezése és az ehhez szükséges vizsgálatok megkezdése előtt egy gyors ellenőrzés elvégzése szükséges. Ez azért indokolt, mert meg kell, hogy győződjünk a költséges feladatok elkezdése előtt arról, hogy nincsenek az új fejlesztésű PRBt kizáró, a megvalósítást ellehetetlenítő körülmények. Ennek kivitelezéséhez a szennyezett területről és a szennyeződés egyes tulajdonságairól információkkal kell, hogy rendelkezzünk. Az ellenőrző lista ebben is nagy segítségünkre szolgál, mert célirányosan tudjuk, mely paramétereket kell meghatároznunk az előzetes tényfeltárás során. Ilyen paraméterek: A terület geológiai tulajdonságai A talajvíz áramlási viszonyai A szennyeződés milyen formában van jelen, milyen eredetű és milyen komponensek alkotják A terület szivárgási tényezője Amennyiben ezeket ismerjük, megválaszolhatjuk az ellenőrző lista kérdéseit. Az új fejlesztésű gát tervezésének megkezdése előtt az alábbi táblázat kérdéseire kell, hogy választ kapjunk. 1. Táblázat Előzetes ellenőrző lista Ellenőrző kérdések 1. Az eltávolítani kívánt szennyeződés a talajvízben van? 2. A talajvíz áramlási iránya állandó a területen? 3. A területen a talajvíz áramlási viszonyai lehetővé teszik a reaktív gáttal történő szennyező csóva befogását? 4. A gát problémamentesen illeszthető a geológiai környezetbe? 5. Előállítható olyan szivárgási tényezőjű gátanyag, ami megfelelően illeszkedik a környezetéhez? 6. A szennyeződés komponensei megköthetőek a gátanyagon? 7. A szennyeződés komponensei olyan mennyiségben vannak jelen, ami indokolttá teszi a gát kiépítését? 8. Az előzetes vizsgálatok alapján kizárható, hogy a szennyeződés nem tartalmaz olyan komponenseket (például Hg), amelyek a gát működését gátolják? 9. A terület beépítettsége lehetővé teszi a gát kialakítását? 10. A kármentesítéshez ez az elérhető legjobb technológia? 7

11 A további tervezés csak akkor folytatódhat, ha ezekre a kérdésekre,,igen választ kaptunk és meggyőződtünk róla, hogy megfelelő adatgyűjtés és feldolgozás áll a válaszadásunk hátterében Anyagmérleg alapú megközelítés Az ellenőrző lista kiértékelése után következhet a gát tervezése. A tervezés megkönnyítése érdekében érdemes egy anyagmérleg alapú előzetes becslést elvégezni. Az így kapott közelítő adatok segítséget nyújthatnak a tervezés korai szakaszában az egyes változók kezdeti értékének megválasztásában, mint például a gátvastagság, amit az anyagmérleg alapján kapott töltetmennyiségből származtathatunk. Első lépésben megközelítőleg meg kell határoznunk a környezetbe kijutott és a gát által megkötni kívánt szennyezőanyag mennyiségét komponensenként (V kijutott ). A következő feladatunk, hogy megbecsüljük a residens szennyezőanyag mennyiségét (V residens ). A kármentesítési célállapot határértékből (D) és a gátra érkező anyagmennyiségből (V gátra érkező ) kiszámolható a gáton átengedhető szennyező mennyisége (V átengedhető ). Az előbbiek alapján: V( kijutott ) V( residens )= V( gátra érkező ) V( gátra érkező ) V( átengedhető )= V( megkötendő ) Ahol: V( megkötendő ) az a szennyező anyag mennyiség, amit a gátnak meg kell tudnia kötni. Ha ismerem azt az anyagmennyiséget körülbelül, amit a gátnak tudnia kell megkötni (V megkötendő ) és a gát tömegegységre vonatkoztatott szennyező visszatartó képességét (V megköthető ), akkor ki tudom számolni milyen mennyiségű gátanyag (M) képes a kármentesítést elvégezni. A kapott értékek egy közelítést adhatnak a gát vastagságára, illetve a töltet cseréjének idejére. De ki is zárhatják a gát megvalósítását (V megkötendő > V megköthető ). Nagyon fontos megjegyezni, hogy ez még nem a gát tényleges méretezése, hanem csak egy gyors anyagmérleg, melynek értékei nem pontosak. Elvégzése csak megvalósíthatóság értékelésre és a későbbi méretezési feladatokhoz nyújt kezdeti segítséget. 8

12 2.3. Paraméteres méretezési protokoll A gát méretezési protokollja, megmutatja az egyes paraméterek közötti összefüggéseket és a tervezés során elvégzendő feladatokat. A könnyebb átláthatóság és értelmezhetőség érdekében a paraméteres méretezési protokollt több munkafolyamatra bontottam fel: Környezetbe illesztés Kémiai kompatibilitás Gát geometriai mérete, élettartamának meghatározása Egyéb a gátműködést befolyásoló tényezők Ezek a részek különkülön részletesen tárgyalják a reaktív gát tervezésének adott szakaszát. A gát tervezésénél a 3. ábra szerinti sorrendet kell betartani, elvégezve az alpontok által előírt vizsgálatokat. Az előzetes ellenőrző lista, valamint az anyagmérleg alapú megközelítés elvégzése után következik a tényleges gáttervezési munka, aminek folyamatát a 3. ábra személtet. A 3. ábra értelmezése: 1. lépés: Az ellenőrző lista és az anyagmérleg alapú megközelítés elvégzése után el kell döntenünk, hogy a jelenlegi következtetések alapján a reaktív gát megvalósítható (1a eset), vagy nem kivitelezhető és más eljárást kell választanunk (1b eset). 2. lépés: A gát környezetbe illesztésének megoldása. Itt olyan szivárgási tényezőjű töltetanyag kialakítása a cél, amely 100%os hatásfokkal képes befogni a szennyezett vizet. Az 1. számú mellékletben különböző lignit homok keverékek szivárgási tényezői találhatóak, ezek az eredmények segíthetnek nekünk a megfelelő szivárgási tényezőjű töltetanyag kiválasztásában. 3. lépés: Dönteni kell, hogy lehetséges a környezetbeillesztés (3b) és haladhatunk tovább a tervezésben, vagy pedig nem megoldható (3a eset) és másik eljárást kell alkalmazni az adott szennyeződés felszámolásához. 4. lépés: A töltet kémiai kompatibilitásának meghatározása, a környezetbe illesztési paraméterek, valamint a kármentesítési célérték figyelembe vételével. 5. lépés: A kompatibilitás végeztével meg kell vizsgálni a kapott adatokat és eldönteni, hogy a kapott értékek kielégítike a gát szennyezőanyag visszatartó képességét. Amennyiben nem (5a eset), akkor vissza kell térni a 2. lépéshez és előröl kezdeni a tervezési lépések elvégzését. Ha a kémiai kompatibilitás megfelelő, akkor haladhatunk tovább. 9

13 6. lépés: A gát geometriai méreteinek és élettartamának meghatározása a gátműködést befolyásoló egyéb tényezők figyelembe vételével. 7. lépés: a és 6. lépés eredményeit összegezve el kell tudni dönteni, hogy a gát működőképese az adott paraméterek mellett. Amennyiben nem (7a eset), akkor vissza kell mennünk az 1. lépéshez és előröl kezdeni a tervezést, ha igen akkor is kötelezően el kell végezni az ellenőrzési fázist. 8. lépés: Ellenőrzés (transzportmodellezés) 10

14 A kármentesíteni kívánt terület adatai 1 Megvalósítható a PRB 1a NEM Más kármentesíti módszer alkalmazása 1b IGEN 2 Környezetbe illesztés 3 3a Lehetséges? NEM 3b IGEN NEM Kármentesítési célérték 4 Kémiai kompatibilitás NEM NEM Lehetséges? 5a 5b IGEN Egyéb a gátműködést befolyásoló tényezők 6 A gát geometriai mérete, élettartamának meghatározása Kielégíti az elvárásokat? 7a 7b IGEN 8 Ellenőrzés 3. ábra Paraméteres méretezési protokoll folyamatábrája 11

15 Környezetbe illesztés Az érintett vízadót jellemző szivárgási tényező 1 A töltet megkövetelt szivárgási tényezőjének meghatározása 2 Hordozó közeg lignit arány 3 A töltet összetételének megválsztása Hordozó közeg szemcsemérete Más kármentesíti módszer alkalmazása 4a NEM Előállítható a megfelelő szivárgási tényező Lignit Szemcsemérete IGEN 4b Kémiai kompatibilitás vizsgálat 4. ábra Környezetbe illesztés paraméteres meghatározása A paraméteres méretezési protokoll első lépcsőfoka a környezetbe illesztés (4. ábra). Ez alatt értendő olyan szivárgási tényezőjű töltetanyag megválasztása, amely nem változtatja meg a környezet hidrogeológiai viszonyait és 100%os befogási hatásfokkal rendelkezik. A környezetbe illesztés a tervezési feladat sarokpontja, mivel ha ezt nem tudjuk megvalósítani, a PRB alkalmazása lehetetlenné válik az adott területen. [7] A környezetbe illesztés lépései: 1. lépés: Az érintett vízadót jellemző szivárgási tényező ismeretében meg kell választanunk a reaktív gát anyagának szivárgási tényezőjét. A hidrodinamikai modellezések eredményei azt mutatják a töltet szivárgási tényezőjének minimum fél 12

16 nagyságrenddel nagyobbnak kell lennie az érintett vízadóétól, hogy a gát 100%os hatásfokkal működhessen. A 2. számú melléklet egy 100%os hatásfokkal működő gát ábráját mutatja, míg a 3. számú melléklet egy nem megfelelően működő gátat szemléltet. Amennyiben a modellezés során ilyen eredményeket kapunk, akkor változtatnunk kell a töltetanyag összetételén. 2. lépés: A töltet megválasztott szivárgási tényezőjének megfelelő szemcseösszetétel megválasztása. 3. lépés: A szivárgási tényezőnek megfelelő töltetanyag összetételét szabályozhatjuk: a töltetanyaglignit arányával, a hordozó közeg szemcseméretének és a lignit szemcseméretének változtatásával. Ennek jelentősége nem csak a töltet környezetbe illesztésénél, hanem a kémiai kompatibilitás elérésénél is fontos. 4. lépés: Lehetséges a megfelelő szivárgási tényező előállítása (4. számú melléklet segítséget nyújt a kérdés megválaszolására)? Ha nem (4a eset), akkor más kármentesítési módszert kell választani, ha igen, akkor továbbléphetünk a kémiai kompatibilitási vizsgálatok elvégzésére. 13

17 Kémiai kompatibilitás Környezetbeillesztés A szennyező komponens kémiai tulajdonságai 1 Statikus vizsgálat (A töltet szorpciós kapacitásának meghatározása) NEM A szennyező komponens maximum koncentrációja Elegendő a szorpciós kapacitás? NEM 2a 2.b IGEN Kontakt idő 3b Kármentesítési célérték (D) 3a Dinamikus vizsgálat (Áttörési görbékből kapott pórustérfogatok meghatározása) Kezdeti gátvastagság 3c A dinamikus vizsgálat eredményei biztosítják a gát anyagának kémiai kompatibilitását? 4a 4b IGEN A gát geometriai méretének, élettartamának meghatározása 5. ábra Kémiai kompatibilitás paraméteres meghatározása A paraméteres méretezési protokoll 2. szakasza a gát kémiai kompatibilitásának meghatározása (5. ábra), legalább annyira fontos, mint a környezetbe illesztési kérdés megoldása, mert a gátnak elsődleges célja a szennyezőanyag visszatartása. 14

18 A kompatibilitási vizsgálatokat az 1. szakaszban meghatározott töltetösszetétel mellett kell meghatározni. A méretezési protokoll egy szennyező komponenst vesz figyelembe a könnyen értelmezhetőség miatt. A valóságban ritkán fordul elő olyan kármentesítési probléma, ahol csak egy szennyező komponens eltávolítása a cél, ezért minden egyes komponensre el kell végezni a kémiai kompatibilitási vizsgálatokat és a legkevésbé megkötődő anyaghoz igazítani a gát tervezését. Kivételt képez, ha a gát töltetanyagát kifejezetten egy szennyező komponens eltávolítására alkalmazzuk (többrétegű töltettel rendelkező PRB, amelynek minden egyes rétege más komponens eltávolítására szolgál, itt a rétegek helyes sorrendjének megválasztása fontos). [8] A kémiai kompatibilitás meghatározásának lépései: 1. lépés: A kármentesíteni kívánt területen meg kell határozni a szennyező komponens kémiai tulajdonságait (az adott földtani környezetben) és maximális koncentrációját. Ezután statikus kísérletek segítségével meg kell határozni a töltet szorpciós kapacitását. 2. lépés: Ki kell számolni, hogy elegendőe a szorpciós kapacitás a szennyezőanyag megkötéséhez. Az alábbi számítást kell elvégezni, ahol C megkötött a töltetanyagon megkötődött szennyezőanyag koncentrációja, C max a szennyezőanyag maximum koncentrációja, D a kármentesítési célérték. Mindegyik mennyiség mg/l egységben meghatározva. Az alábbi egyenlőtlenségnek kell teljesülnie: C megkötött > C max D. Amennyiben nem elegendő a szorpciós kapacitás (2a eset), akkor vissza kell térni a tervezés kezdetéhez és a szemcseösszetételen változtatni úgy, hogy a töltet anyaga nagyobb fajlagos felülettel rendelkezzen (szemcseméret csökkentés), viszont szivárgási tényezője ne változzon. Ez megoldható, ha az adszorbeáló anyag fajlagos felületét növelem, a hordozó közeg fajlagos felületét pedig csökkentem. Hátránya viszont az, hogy ez által nőni fog a töltetanyag térfogata. Ha a statikus vizsgálat igazolja, hogy a töltet képes az adott szennyező komponens megkötésére, akkor haladhatunk tovább és elkezdhetjük a töltetanyagon a dinamikus vizsgálatok elvégzését. 3. lépés: A töltetanyagon dinamikus kísérletek elvégzése. A gát viselkedését jól szimulálhatjuk, ha ezeket a dinamikus kísérleteket oszlopkísérletek formájában végezzük. A vizsgálat során befolyásoló tényezők: a kármentesítési célérték (3a eset), a kontaktidő (3b), a kezdeti gátvastagság (3c eset). A kezdeti gátvastagság alatt azt kell érteni, hogy még a kísérlet megkezdése előtt választanunk kell egy 15

19 kiindulási vastagságot (ez határozza meg a szennyezett víz tartózkodási idejét), amit nem megfelelő eredményű kísérlet esetén növelve újra elvégezzük. Itt is fent áll az a lehetőség, hogy csak nagy térfogatú töltetanyag lesz elegendő a gát megfelelő működéséhez, ami viszont gazdaságtalanná, vagy egyszerűen kivitelezhetetlenné teszi a PRB megvalósítását. 4. lépés: A dinamikus vizsgálatok eredményeit ki kell elemezni és eldönteni, hogy a kapott eredmények megfelelőeke a gátműködés szempontjából. Abban az esetben, ha az eredmények nem megfelelőek, vagyis az adott vastagságú gátfal adott kontaktidő mellett nem képes a szennyeződés mértékét a kármentesítési célérték alá csökkenteni, akkor vissza kell térni a környezetbeillesztés ponthoz és változtatni a töltet összetételén és újra kezdeni a paraméteres méretezési protokoll egyes feladatainak elvégzését. Előfordulhat, hogy nem lesz olyan töltetösszetétel, ami mellett a gát megfelelően működne, ilyenkor új kármentesítési eljárást kell alkalmazni a szennyeződés felszámolására. Amennyiben a dinamikus kísérlet eredményei igazolják a gát optimális működését, akkor következhet a 3. fázis (a gát geometriai méretének és élettartamának meghatározása). 16

20 A gát geometriai méretének és élettartamának meghatározása 4c Kémiai kompatibilitás vizsgálat Környezetbeillesztés A terület specifikus tulajdonságai 1a 1b A gát geometriai méretének meghatározása A megfelelő működéshez szükséges gátvastagság 2 A gát élettartamának meghatározása NEM 3 A töltet cseréjének, a gát modulok számának meghatározása (Transzport modellezés) 3a NEM A gát paraméterei kielégítik az elvárásokat? 3b IGEN Ellenőrzés (Transzport modellezés)) 4a 4b Fél üzemi kísérlet IGEN A gát paraméterei kielégítik az elvárásokat? 6. ábra A töltet cseréjének, a gát modulok számának meghatározása 17

21 A paraméteres méretezési protokoll utolsó szakasza a gát geometriai méretének, valamint a töltet cseréjének meghatározása (6. ábra). Ez a két paraméter külön fejezetben is tárgyalható lenne, de ezek annyira szorosan kapcsolódnak egymáshoz, hogy sokkal ésszerűbb lenne a két gát tulajdonságot egyszerre kezelni. Az új fejlesztésű gát egyik nagy előnye, hogy töltetanyaga könnyen beszerezhető és anyaga később újra felhasználható. Tehát nem szükséges nagy vastagságú gátfalak építése (nem is mindig lehetséges), hanem a gátvastagság és a töltet cseréjének megfelelő kombinálásával kiküszöbölhetővé válik ez a probléma. [9] A gát geometriai méretének és cseréjének meghatározó lépései: 1. lépés: A gát geometriai méretének meghatározása. A PRB geometriai méretét a terület specifikus tulajdonságai (beépítettség, talaj rétegviszonyai, talajvíz áramlási viszonyok stb.) és a dinamikus vizsgálatokkal meghatározott, az optimális működést biztosító minimális gátfalvastagság (1b eset) határozza meg. Tehát az adott területi viszonyok szabta határ függvényében kell meghatározni, hogy mekkorák lesznek a gát geometriai paraméterei. 2. lépés: Az 1. lépés során meghatározott gátparaméterek után ki kell számolni, hogy a kivitelezni kívánt gáttest mennyi ideig képes a kármentesítési céloknak megfelelően működni. Amikor a gát már nem képes ellátni rendeltetését, a töltetet ki kell emelni és új töltetanyaggal helyettesíteni. Ezt a lépést legegyszerűbben transzportmodellezéssel hajthatjuk végre. Annak érdekében, hogy a valóságot legjobban tudjuk közelíteni, ismernünk kell a szennyezőanyag transzport jellemzőit. 3. lépés: A PRB elégséges geometriai méretének és szükséges csere intervallumának meghatározása után mérlegelni kell az adott körülmények közötti fenntarthatóságát. Amennyiben ez az opció nem áll fent (3a eset), akkor vissza kell mennünk a tervezési fázis legelejére és újból elkezdeni a tervezési iterációt, ha az összes paraméter biztosítja az optimális működőképességet (3b eset) és a gazdaságosságot, akkor kötelezően el kell végezni az ellenőrzési/utóellenőrzési feladatokat. Ellenőrzési/utóellenőrzési feladatok során ismételten célszerű elvégezni mind a hidraulikai, mind a transzportmodellezést. 4. lépés: Az ellenőrzés végeztével jelentkezhetnek a gát működését negatívan befolyásoló tényezők (pl.: nem 100%os hatásfokkal működik, nem köti meg mégse a kívánt szennyezőanyagmennyiséget stb.), ilyenkor ismét vissza kell térni a tervezés legelejére és minden vizsgálatot a fentiekben leírt sorrendben újra elvégezni (4b, 4c 18

22 eset). Ha nem merül fel probléma (4a eset), akkor ajánlott egy fél üzemi kísérlet elvégzése a gát kivitelezése előtt, hogy megbizonyosodjunk teljes mértékig a PRB működtetésének biztonságáról. A többszörös ellenőrzés célja, hogy a gát üzembe helyezése előtt a legkisebbre minimalizáljuk a felmerülő hibalehetőségeket. A gát geometriai méretének és élettartamának meghatározása részben jól látszik, mennyire nagy szerepe van a gát tervezés folyamatában a transzportmodellezésnek. Annak érdekében, hogy a modellel a legjobban meg tudjuk közelíteni a valóságot, nem elegendő csak a környezet tulajdonságait ismernünk (talajvízjárás, földtani felépítés, szivárgási tényezők, stb.), hanem a szennyezőanyag tölteten való áthaladásakor fellépő transzportfolyamatokat is ismernünk kell. 3. Transzportfolyamatok elemei A hidrogeokémiai vizsgálatok középpontját a víz viselkedésének tanulmányozása képezi, jelentős hangsúlyt fektetve az anyagmegoszlást, illetve a koncentrációk tér és időbeli változásait vezérlő folyamatok értelmezésére, vagy a folyamatok ok okozati összefüggéseinek az ismeretében, azok előrejelzésére. [10] A vízoldható anyagok talajbeli mozgását a következő folyamatok befolyásolják: 1. Advekció: az oldott anyagok vízzel való együttes áramlása az advekció, sokszor kissé helytelenül a hőtanból átvéve konvekciónak nevezzük. Az advektív szennyezőanyag áram a közegbeli átlagos áramlási sebesség és a koncentráció szorzata. [11] 2. Bomlás: A szennyezőanyag mennyiségének időbeli csökkenése, degradációja a bomlási folyamat következménye. Két alapvető típusát különböztetik meg. Jellegükben különböznek egymástól, mégis azonos matematikai formában vehetők figyelembe a szennyezőanyagok terjedésének modellezésében. [11] 3. Adszorpció: a szennyezőanyag porózus közeg felületén történő reverzibilis megkötődését adszorpciónak nevezzük. Ez a folyamat a modellezett tér anyagmérlegében lehet nyelő (adszorpció), vagy a szennyező anyag oldatba jutásának forrása (deszorpció) attól függően, hogy milyen az uralkodó felületi kémiai folyamat. [11] 4. Diszperzió: Az áramló folyadék egy pontján folyamatosan bevezetett jelzőanyag (szennyeződés, festék) nem követi vonalszerűen a kérdéses ponton áthaladó vízrészecskék elméleti pályáját, hanem fokozatosan szétterülve egyre bővülő csóvákat alkot. 19

23 Ezt a szétterjedési folyamatot nevezik porózus közegben lejátszódó hidrodinamikai diszperziónak. A folyamat vizsgálatakor általában a leggyakrabban vizsgált 3 tényező: A molekuláris diffúzió (a szennyezőanyag molekuláinak a Brown mozgás által előidézett szétterjedése a koncentráció gradiens irányában) A turbulens diffúzió, és A mechanikai diszperzió Ezek szerepe és aránya a körülményektől függően változik. A megfigyelések alapján két geometriailag különböző mechanikai diszperziós folyamatot különböztetnek meg: Longitudinális (hosszirányú) diszperzió: a szennyezőanyag koncentrációja az áramlás irányával megegyező. Transzverzális (keresztirányú) diszperzió: szétterjedés figyelhető meg az áramlásra merőleges irányban is. Oka, hogy a talajszemcsék oldalirányban is eltérítik a jelzőanyagrészecskéket. [12] 5. Diffúzió: A diffúzió a porózus kőzetek egyik fontos folyamata. Jelentősége főképpen a kis távolságokra vonatkozó anyagmozgási jelenségekben és az oldószeren belüli folyamatokban mutatkozik. A térbeli kémiai potenciál különbségek hatására létrejövő tömegáramot, melyet a Fick I. törvénye ír le, diffúziónak nevezzük. [10] Fick I. törvénye: Ahol, D [m 2 /s] a diffúziós együttható, ami megadja az egységnyi idő alatt egységnyi felületen átdiffundált anyag mennyiségét, ha a koncentrációesés is egységnyi volt. A képlet alapján az anyagáramsűrűség egyenesen arányos a koncentrációeséssel. [13] 20

24 7. ábra Az egyszerű diffúzió mérés sematikus ábrája [14] Megkülönböztetünk közönséges diffúziót, ami a koncentráció különbségek hatására jön létre, míg az elektromos potenciál vagy hőmérséklet különbségek okozta anyagáramokat kényszerített diffúziónak nevezzük. A diffúzió által szállított kémiai anyagfluxus három komponense porózus közegben az alábbi formában írható fel: Ahol D eff az effektív (vagy látszólagos) diffúzió állandó, amelyek értéke porózus közegben kisebb, mint a D 0 vizes közegben mért diffúzió állandó. A vízben mért és a porózus közegbeli diffúzió állandó közötti kapcsolatra számos empirikus összefüggést határoztak meg. [11] Fick I. törvénye a diffúzió térbeli leírását adja meg, de nem veszi figyelembe a koncentráció időtől való függését. Fick II. törvénye azonban már a diffúzió térbeli és időbeli leírását is tartalmazza. 21

25 2. Táblázat Effektív diffúzióállandó meghatározása [11] 8. ábra Fick II. törvényének sematikus ábrája [13] Ahol: V egy nagyon vékony térfogatrész c a koncentráció nem függ a helytől, így csak az időbeli változását kell figyelembe venni c (t) n az anyagmennyiség nettó változása 22

26 Fick II. törvénye 1, illetve 3 dimenziós esetben: A diffúziós együttható függ: Hőmérséklet (laboratóriumi mérések alapján 5 0 C on akár a felére is csökkenhet a 25 0 Con mért értékhez képest). Koncentráció gradiens. Tortuozitás (porózus közegben 1,25 és 5 között változik a szemcseméret eloszlás és a szemcsék érintkezésének módja függvényében). A részecske moláris tömege. A közeg viszkozitása. Továbbá az ionok effektív diffúziós állandóját befolyásolja a közeg nedvességtartalma. [13] Diffúziós együttható meghatározása Fick II. törvényével Alapelv A diffúziós együttható mérésére mind Fick I. mind Fick II. törvénye alkalmas. Fick II. törvénye szerint a koncentráció időbeli változása egy adott helyen arányos a koncentráció gradiens hellyel való változásával az adott időpillanatban c t x 2 c D 2 x t Fick II. törvénye alkalmazásánál gyakran úgy járnak el, hogy a heterogén másodrendű differenciálegyenletet meghatározott határfeltételekkel megoldják, és a kapott függvényt mérik ki (schlierenmódszer, Loschmidtkészülék gázokhoz, Oeholmmódszer). A diffúziós együttható kiszámításához ki kell számítani: a koncentráció gradienst egy adott időben c x t 23

27 2 c a koncentráció gradiens hely szerinti megváltozását egy adott időben 2 x c a koncentráció idő szerinti megváltozását egy adott helyen képezni kell minden t lehetséges időpontra és helyre a koncentráció idő szerinti megváltozásának és a koncentráció gradiens hely szerinti megváltozásának a hányadosát. [15] x t 4. A méretezést segítő mérések (DKSpermeabiméterrel) 4.1. A DKSpermeabiméter bemutatása A DKS permeabiméter egy teszt cella (9. ábra), amely az anyagtranszport folyamatok, mint diffúzió, advekció és szorpció meghatározására szolgál. Az egyedi és innovatív kísérleti módszer lényege, hogy laboratóriumi méretekben meg lehessen határozni a talajminták transzport paramétereit. A mérési cellát azzal a céllal fejlesztették ki a Ruhr Egyetem Talajmechanikai Tanszékén, hogy vizsgálják a hulladéklerakók ásványi szigetelő rendszerén át történő anyagtranszport folyamatokat.[16] 9. ábra DKSpermeabiméter (A szerző saját munkája) A reaktív gát transzportmodellezése során az anyagtranszport folyamatok megismerése szintén nélkülözhetetlen. Ebből adódóan jött az elképzelés, hogy a DKSpermeabiméter 24

28 segítségével a gát töltetanyagán, valamint a töltetanyag hordozóközegén keresztül különböző szennyező anyagoknak meg lehetne határozni a transzportfolyamatait. A teszt cellát rövid időre kapta kölcsön a Miskolci Egyetem Környezetgazdálkodási Intézete, azzal a konkrét célkitűzéssel, hogy megvizsgáljuk, hogy az eszköz használhatóe reaktív gátak méretezésének laborvizsgálatai során. Ez az időtartam arra volt elegendő, hogy a berendezés működését megismerjem, valamint tesztméréseket végezhessek. [16] 4.2. A DKSpermeabiméter részei és működése A DKS pemeabiméter részeinek funkciói: a. Alaplemez Feladata a DKSpermeabiméter részeinek rögzítése. Alumíniumból készült lemez, amely 6 darab furatot tartalmaz. A furatokba helyezzük bele a hátlapfejű csavarokat, ezek adják a vizsgálati cella vázát. [16] b. Alsó áramlási elem 10. ábra Alaplemez (A szerző saját munkája) Ez a rész az úgynevezett tiszta áramlási zóna. Elnevezése abból ered, hogy a mérés során ezen elemen keresztül történik a szennyeződést nem tartalmazó oldat átáramoltatása (desztillált víz). Műanyagból készült, így teljesíti azt az alapvető feltételt, hogy a vizsgálati cella egyetlen eleme sem befolyásolja a kémiai és fizikai reakciókat. 25

29 Az alsó áramlási elemben található egy szűrőlemez. Fő feladata az oldat egyenletes eloszlatása, valamint megakadályozza az áramlás hatására a minta kimosódását, változtatva ezzel a töltetanyag struktúráját és az áramlás egyenletességét. [16] c. Talajminta elem 11. ábra Alsó áramlási lemez (A szerző saját munkája) A talajminta elem, mint a nevében is benne van, a vizsgálni kívánt minta elhelyezésére szolgál. Kialakítását tekintve egy 80mm x 80mm x 20mm es térfogatú kazetta. A mérések során ezen a térrészen belül valósul meg az alsó és felső áramlási lemez közötti kommunikáció. [16] 12. ábra Talajminta elem (A szerző saját munkája) 26

30 d. Felső áramlási elem Funkciója megegyezik az alsó áramlási elemével. Eltérés csupán annyi van, hogy a felső áramlási elemen keresztül történik a szennyezett oldat átáramoltatása. Szintén található ebben az elemben is egy szűrőlemez, amely ugyanazokat a feladatokat látja el akárcsak a fentebb már említett szűrőlemez. [16] e. Nyomóelem 13. ábra Felső áramlási lemez (A szerző saját munkája) Rendeltetése a többi elem rögzítésének biztosítása, a DKSpermeabiméter légmentesen való zárhatósága. A nyomóelemen található továbbá egy szelep is, amin keresztül egy kompresszor segítségével akár nyomásfokozást is előidézhetünk a cellában, ha a mérés úgy kívánja. Az alaplemezhez hasonlóan ez is alumíniumból készült. 14. ábra Nyomóelem (A szerző saját munkája) 27

31 A fő részeken kívül több kisebb, ám funkciójukat tekintve fontos kiegészítő elemek is tartoznak még: tömítőgyűrűk (légmentesség), szilikon csövek (oldatok szállítása), tömítő lemez (légmentesség) A mérések egy nélkülözhetetlen eszköze még a perisztaltikus pumpa, amely a DKSpermeabiméterhez csatlakoztatva biztosítja az oldatok átáramoltatását a kísérleti cellán. A perisztaltikus pumpa működésének alapja a cső összenyomódásának és elernyedésének váltakozása, amely mozgás során a csőben lévő anyagot maga előtt tolva szállít. A finom rugalmas csövet papucsok préselik a rotorhoz. A rotációs mozgás során az anyagot csúszásmentesen állandó elmozdulással tolja keresztül a csövön, ami a perisztaltikus pumpát különösen alkalmassá teszi pontos adagolási alkalmazásokra. [17] 15. ábra Perisztartikus pumpa (A szerző saját munkája) 3. Táblázat A perisztartikus pumpa hozamai A perisztaltikus pumpa A perisztaltikus pumpa A perisztaltikus pumpa fordulatszáma (RPM) hozama (cm 3 /s) hozama (l/s) 20 0,15 1,5* ,11 1,125* ,075 7,5* ,0375 3,75*10 5 2,5 0,018 1,8*

32 Működési elve: A DKSpermeabiméterrel végzett vizsgálatok mérési elrendezését a 15. ábra szemlélteti. A cella közepén található egy 80mm x 80mm x 20mm es mintatároló elem, amelybe a vizsgálni kívánt mintát helyezzük. Alatta és felette található az alsó, illetve a felső áramlási elem, mindegyikbe egy egy szűrőlemez található. A mérés során a felső áramlási elemben ismert koncentrációjú szennyezett oldat, addig az alsó áramlási elemben pedig tiszta oldat (desztillált víz) kerül bevezetésre. Az áramlási elemekben az egyenletes áramlást a cellához csatlakoztatott perisztaltikus pumpa biztosítja, amely segítségével az áramlási sebességek is szabályozhatóak. A vizsgálat során a cellában bekövetkező koncentráció változásokat a kimeneti ágakhoz csatlakoztatott mintavevő tertályokban tudjuk mérni. A cella helyzetének változtatásával (élére fordítjuk), a belépő ágak hidraulikus gradiens értékei között változás lép fel, ennek megfelelően másmás transzport paraméter hatása érvényesül. Abban az esetben, amikor a cella alaphelyzetben van, a hidraulikus gradiens (i>0) értéke nem nulla, akkor a diffúzió mellett konvekció is fellép, amelyet a mérés során figyelembe kell venni. Viszont, ha a hidraulikus gradiens (i=0 ; a cella élére állítása esetében), a műszer diffúzió mérésére alkalmas. 16. ábra DKSpermeabiméter mérési elrendezésének sematikus ábrája 29

33 1. DKS permeabiméter 2. Alsó áramlási lemez 3. Felső áramlási lemez 4. Szennyeztt oldat tartály 5. Tiszta oldat (desztillált víz) tartály 6. Perisztaltikus pumpa 7. Alsó és felső bemeneti ágak 8. Alsó és felső kimeneti ágak 9. Mintavevő tartályok 4.3. Diffúzió mérése DKSpermeabiméterrel A reaktív gátak tervezésénél, mint már említettem a transzport folyamatok megismerése elengedhetetlen feladat. Hulladéklerakók aljzatszigetelő rendszerein sikeresen végeztek korábban a DKSpermeabiméter segítségével diffúziós méréseket. Ebből származott az ötlet, hogy tesztmérésekkel igazoljam, hogy a kísérleti cella alkalmas lehet az új típusú reaktív gát töltetanyagán diffúziós mérések elvégzésére. A méréseket különböző szemcseméretű ligniteken valamint ezek homokkal kevert különböző súlyarányú keverékein terveztem elvégezni. 17. ábra A DKSpermeabiméter elhelyezése diffúzió mérése során (A szerző saját munkája) 30

34 A DKSpermeabiméter működésének megismerése, valamint tesztmérések elvégzése során nyilvánvalóvá vált, hogy a perisztaltikus pumpa alacsony fordulatszáma mellett végezhetőek eredményesen. Az is világossá vált, hogy a vizsgálatokat elsőre csak tiszta homok tölteteken kell elvégezni, mert így később ezek az értékek referenciaként fognak szolgálni a lignithomok keverékek estében. Mivel a célom a tiszta diffúzió meghatározása volt, ezért a berendezést úgy kellett elhelyeznem, hogy a hidraulikus gradiens értéke nulla legyen a belépő ágak között Az elvégzett mérések: 1. mérés Az első mérés során 10 mg/l es Cuoldatot szívattam át 60 RPM es (3. táblázat) fordulatszám mellett a permeabiméteren. A vizsgált minta tiszta homok (d = 0,3 0,9 mm) volt. Mindkét kilépő ágon 20 cm 3 ként vettem mintát, melyek réz koncentrációját spektrofotométer segítségével mértem. Fontos megjegyezni, hogy a mérés megkezdése előtt mindkét ágon desztillált vizet szívtam keresztül, míg a rendszer teljesen légmentessé nem vált és mind a belépő, mind a kilépő áramok hozama ki nem egyenlítődött. A kísérleti cella üzembe helyezése során ugyanis rengeteg gondot okozott, hogy a minta pórusaiban lévő levegő, míg nem távozott a rendszerből, addig az áramok nem egyenlítődtek ki. Ezt csak úgy lehetett elkerülni, ha a mintatestet teljesen vízzel telítettem. Az ábrán is jól látszik, hogy a perisztaltikus pumpa elindítása után a szennyezett ágon az első 80 cm 3 átszívása esetén a Cukoncentráció zérus. Ennek oka, hogy az első 4 mintánál még a DKSpermeabiméterben maradt desztillált vizet szívta csak át. A további mérési pontokban jól látszik a réz koncentráció folyamatos növekedése, viszont a törzsoldat koncentrációját a mérés során nem éri el (10 mg/l). Tehát nem elegendő 240 cm 3 minta átszívása a törzsoldat koncentrációjának eléréséhez az áramlási elemben. Valamint az is látszik, hogy a tiszta ágon sem jelent meg a réz oldat. 31

35 Cu koncentráció [mg/l] 10 mg/l es Cu oldat (60 RPM es) DKS permeabiméteren való átszívása 10 Tiszta áramlási lemez koncentráció érzékei Szennyezett áramlási lemez koncentráció értékei Átszívott minta [cm 3 ] 18. ábra Az 1. diffúzió mérés eredménye 2. mérés A vizsgálat során 520 cm 3 10 mg/les Cuoldatot szívattam át a DKSpermeabiméter egyik áramlási ágán (a másik ágon ugyanilyen mennyiségű desztillált vizet). A minta akárcsak az előző mérés során tiszta homok volt (d = 0,3 0,9 mm). A perisztaltikus pumpa fordulatszámát 2,5 RPM re csökkentettem Ennél a mérésnél is fokozatosan növekedett a szennyezett ágon a Cukoncentráció és el is érte a törzsoldatnak megfelelő értéket. A,,tiszta ágon ismételten nem jelent meg a réz, viszont 360 cm 3 átszívása után a szennyezett ágon a réz koncentráció ismételten csökkeni kezdett. Ez több kérdést is felvetett: a. A diffúzió hatására történte a koncentráció csökkenés? b. Valamilyen műszaki probléma okozhatjae a koncentrációcsökkenést? A mérések ezen fázisában ezekre a kérdésekre még nem kaptam választ, továbbá többször előfordult, hogy a mérések nem voltak reprodukálhatóak, a folyamatosan felmerülő műszaki problémák miatt. Legtöbbször az áramok kiegyenlítetlensége okozta a fő problémát. 32

36 Cu koncentráció [mg/l] Tiszta áramlási lemez koncentráció értékei Szennyezett áramlási lemez koncentráció értékei Átszívott minta térfogat [cm3] 19. ábra A 2. diffúzió mérés eredménye (A szerzős saját szerkesztése) Annak érdekében, hogy ezeket a problémákat kiküszöböljem, valamint a diffúzió kialakulásához több időt biztosítsak, egy új mérési eljárást próbáltam meg alkalmazni. Az új mérések annyiban eltérőek az előzőektől, hogy magasabb hozammal mindkét áramlási ágon addig szívattam át az oldatokat, míg azok a kellő koncentrációt el nem érték. Ezután a perisztaltikus pumpát leállítottam és adott időig az áramlásokat megszüntetve hagytam a rendszert. Majd bizonyos idő után mintát vettem mindkét ágból. 3. mérés Az első eredményes mérés 12 órás megállítás után volt tapasztalható. A szennyezett ág koncentrációja 10 mg/les rézoldat volt. A mintavételt 60 RPMes fordulatszámnál végeztem. Jól látható, hogy a perisztaltikus pumpa újraindítása után a tiszta ágon vett mintában megjelenik a réz, míg a szennyezett ágon a Cukoncentrációja csökkent. Tehát a mérési módszer így már sikeresnek bizonyult, mindaddig, míg a további minták koncentráció értékeit meg nem ismertem. A tiszta ágon a további minták vétele során a réz koncentrációja ismételten zérus lett, viszont a szennyezett ágon várt Cukoncentráció növekedése nem következett be, sőt folyamatosan csökkenni kezdett. Ez többszöri ismételt mérések során sem változott. 33

37 Cu koncentráció [mg/l] 10 mg/les Cu oldat átszívása DKS permeabiméteren (60RPM), (12 óra megállítással) 12 8 Tiszta áramlási lemez koncentráció értékei Szennyezett áramlási lemez koncentráció értékei A 12 óra megállítás Átszívott minta térfogat [cm3] 20. ábra A 3. diffúzió mérés eredménye A műszaki problémák lehetőségének kizárása után más szempontokat vettem figyelembe és a következő megállapításra jutottam. A hulladéklerakók aljzatszigetelő rendszerének vizsgálata során vízzáró, kötött talajokat vizsgáltak, míg én jó vízvezető képességű szemcsés anyagokat. A legnagyobb problémát rendszerint a mintavétel során a szennyezett ágon történő oldathígulások okozták. Ennek oka, mint kiderült nem más, minthogy a perisztaltikus pumpa újraindításakor nem csupán az adott áramlási elemben lévő oldatot, hanem a minta pórusaiban lévő oldatot is megszívta. Az így fellépő hígulás a szennyezet ágon, vagy egyes esetekben a tiszta ágon megjelenő, nem várt szennyezőanyag koncentráció megjelenés, mind mind arra a következtetésre vezetett, hogy a DKSpermeabiméter a diffúzió mérése nem alkalmas Adszorpció mérése DKSpermeabiméterre Miután a DKSpermeabiméterrel történő diffúziós mérések nem vezettek eredményre, megvizsgáltam, hogy kihasználva a kísérleti cella előnyeit, miként lehetne az új típusú reaktív gát méretezését segítő mérések szolgálatába állítani. Végül arra a megállapításra jutottam, hogy kisebb átalakításokkal (21. ábra) a DKSpermeabimétert fel lehet használni adszorpció mérésére, ha a bemenő ágakon lezárjuk az 34

38 Cu koncentráció [mg/l] alsó áramlási lemez bemenetét, valamint a kimenő oldalon lezárjuk a felső áramlási lemez kimenetét. Így csatlakoztatva a perisztaltikus pumpához a kimeneti ágat az oldat áramlása a mintán vertikálisan fog történni, egy úgynevezett oszlopkísérletet hozva ez által létre. Az alábbi mérési eredmények még csak teszt jellegűek, amelyek bizonyítják a DKSpermeabiméter alkalmazhatóságát az adszorpció mérésére. 21. ábra A DKSpermeabiméterrel végzett adszorpciós mérés sematikus ábrája A mérési eredmények: 1. mérés 10 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm 3 ] 22. ábra Az 1. adszorpciós mérés eredménye 35

39 Cu koncentráció [mg/l] Az első mérés során homokot helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 20 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 250 cm 3 volt, a kimenő oldalon 50 cm 3 es mintákat vettem. A diagramon jól látható, hogy az oldat koncentrációja megegyezik a törzsoldatéval és a homokban semmilyen olyan anyag nem található, amely megkötné a rezet. 2. mérés A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 20 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 360 cm 3 volt, a kimenő oldalon 60 cm 3 es mintákat vettem. 10 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm 3 ] 23. ábra A 2. adszorpciós mérés eredménye Az első lignit homok keveréken végzett adszorpciós mérés azt mutatta, hogy az adott fordulatszám mellett a töltetanyag a vizsgálat során több mint 50%os hatékonysággal működik. A továbbiakban ezért nem is változtattam a keverési arányokon, hanem a kontaktidőt növelve vizsgáltam, hogy az adott töltetanyag adszorpciós kapacitása mennyire változik. 36

40 Cu koncentráció [mg/l] 3. mérés A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 10 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 360 cm 3 volt, a kimenő oldalon 60 cm 3 es mintákat vettem. Az előző méréshez képest, itt a perisztaltikus pumpa fordulatszáma már csak fele akkora volt, ezáltal a kontaktidő a duplájára emelkedett. A kontaktidő emelkedésével az adszorpciós kapacitás is duplázódott. 10 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm 3 ] 24. ábra A 3. adszorpciós mérés eredménye 4. mérés A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 5 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 480 cm 3 volt, a kimenő oldalon 20 cm 3 es mintákat vettem. Ennél a fordulatszámnál már a kontaktidő olyan nagy volt, hogy a töltetanyag az első 200 cm 3 átszívott mintát teljesen megtisztította. Később elkezd lassan kimerülni, de még így is 37

41 Cu koncentráció [mg/l] több mint 75%os hatásfokkal képes volt megkötni a 480 cm 3 térfogatú minta 10 mg/les Cukoncentrációját. 5 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogata [cm 3 ] 25. ábra A 4. adszorpciós mérés erdménye 5. mérés Az előző mérések igazolják, hogy a lignit mennyire jó adszorpciós képességekkel rendelkezik kis térfogatú oldatok átáramoltatásakor. Annak érdekében, hogy megvizsgáljam mennyi ideig képes az adott töltetanyag erre az adszorpciós kapacitásra, nagyobb térfogatú oldatokat áramoltattam át rajta. A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 20 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 1740 cm 3 volt, a kimenő oldalon 20 cm 3 es mintákat vettem. A kapott eredmények még mindig azt igazolták, hogy az adott hozam mellett, a lignit a réz 50%át legalább megköti, fokozatosan látszik a töltet kimerülése, de meg sem közelíti a törzsoldat koncentrációját (10 mg/l). 38

42 Cu koncentráció [mg/l] Cu koncentráció [mg/l] 10 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm 3 ] 26. ábra Az 5. adszorpciós mérés eredménye 6. mérés 10 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm 3 ] 27. ábra A 6. adszorpciós mérés eredménye 39

43 Cu koncentráció [mg/l] A kimerülési időt megvizsgáltam az előző méréshez hasonlóan alacsonyabb hozam esetén is. A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 10 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 5 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 1400 cm 3 volt, a kimenő oldalon 50 cm 3 es mintákat vettem. A töltet az alacsonyabb hozam mellett, de körülbelül ugyanolyan nagyságrendű oldat átáramoltatásakor hamarabb kezd kimerülni, mint nagyobb fordulatszám esetén, viszont a kezdeti adszorpciós kapacitása is nagyobb (nagyobb szennyezőanyag terhelést vesz fel). 7. mérés A mérés során lignit (5%) homok (95%) keveréket (súlyszázalék megoszlásban) helyeztem a kísérleti cellába, majd 5 mg/les Cuoldatot szívattam át rajta 5 RPMes perisztaltikus pumpa fordulatszám mellett. Az átszívott minta térfogata 1150 cm 3 volt, a kimenő oldalon 50 cm 3 es mintákat vettem. 1 Cu koncentráció változása Átszívott minta térfogat [cm3] 28. ábra A 7. adszorpciós mérés eredménye 40

44 Az 5 mg/les Cuoldat 5 RPMes fordulatszámnál történő átszívásakor a kilépő oldalon nem volt mérhető a Cukoncentráció. Ez a mérés tovább igazolta, hogy a kontaktidő és az oldat töménysége között lineáris összefüggés fedezhető fel. A mérési eredményekből levont következtetések: A tesztmérések igazolták, hogy a DKSpermeabiméter a gát töltetanyagán történő diffúziós mérésekre jelen kialakítás mellett nem alkalmas. A kísérleti cella apróbb módosításokkal jól alkalmazható adszorpciós kapacitás meghatározására. A reaktív gát töltetanyagán átáramló szennyezőanyag megkötődése különböző áramlási sebességeknél jól modellezhető. A mért értékek egy anyagmérleg becslésre is alkalmasak egy tervezendő gát esetében, amennyiben ismerjük a szennyeződés terhelését adott keresztmetszetre. A különböző keverési arányok és szennyezőanyag hozamok mellett végzett kísérletekből egy jól használható adatbázis létrehozása megkönnyítené az új típusú reaktív gát méretezését. További mérések szükségesek, melyek a töltetanyag pontos kimerülési idejét is meghatározzák egyes koncentrációk és hozamok mellett 5. Az új fejlesztésű adszorpciós, illetve diffúziós cellák kifejlesztése 2013ban a Kútfő projekt 4.2es moduljának kutatócsapatához csatlakozva, a kitűzött célunk olyan laboratóriumi eszközök fejlesztése volt, amelyek speciális szennyezők felszín alatti transzportfolyamatainak mérését teszik lehetővé. A DKSpermeabiméter továbbfejlesztéseként egy diffúzió mérésére alkalmas cella megépítése volt a cél, amit a 6.2 fejezetben ismertetek részletesen. A laboreszközök fejlesztéseként a kutatás másik irányát képezte, egy olyan kísérleti cella (29. ábra) megépítése is, amely kötött talajok kémiai és mechanikai változását tudja, természet közeli állapotoknak megfelelően szimulálni szennyezőanyagok hatására. Az eszközök tervezésében és kivitelezésében Dr. Madarász Tamás egyetemi docens és Trauer Norbert a Három Kör Delta Kft. hidrogeológusa, valamint Érsok Bence BScs hallgató volt segítségemre. 41

45 5.1. Az új fejlesztésű adszorpciós cella 29. ábra Az új fejlesztésű adszorpciós cella (A szerző saját munkája) A cellát, mint már fentebb említettem, azzal a céllal hoztuk létre, hogy modellezni tudjuk szennyezőanyagok hatására, a kötött talajokban bekövetkező kémiai és mechanikai változásokat. Ezeknek a vizsgálatoknak a gyakorlati jelentősége a különböző földművek építésénél, utó ellenőrzésénél lehet jelentősége. Ugyanis az ilyen munkafázisoknál az állékonysági tényezőket, szennyező anyag visszatartó kapacitást és a szigetelőképességet veszik leginkább figyelembe. Arra már kevésbé terjednek ki a vizsgálatok, hogy a szennyezőanyag miként befolyásolja a későbbiekben a földmű szerkezetét, ami olyan mértékű is lehet, hogy az építmény funkcióját veszti, vagy tönkremegy. 42

46 30. ábra Az új fejlesztésű adszorpciós cella sematikus ábrája Az új fejlesztésű adszorpciós cella részei: 1. Kompresszor csatlakozási pont, manométerrel (Manométer átm. 40 1/4" 06 bar ) 2. Szennyezett oldat tartály (D=110mm) 3. Gyűjtőtartály (D=110mm) 4. Leeresztő csap ( QHSQS6 mini gömbcsap) 5. Mintavevő csap ( QHSQS6 mini gömbcsap) 6. Gyorscsatlakozók (QS1/46 dugaszolható csatlakozó) 7. Kompresszor csatlakozási pont, manométerrel (Manométer átm. 40 1/4" alsó 0 2,5 bar) 8. Mintatároló tartály 9. Pneumatikai cső (D = 16mm) 10. Oldattárolót lezáró kupak (PVC) 11. Fixáló elemek 12. Talpazat 13. Gyorscsatlakozók (QS1/46 dugaszolható csatlakozó) 14. Mintatárolót lezáró kupak (PVC) 15. Szűrőkő 16. Minta 17. Perforált kupak 43

47 Működési elve: A mintatároló tartályba (8) beépített mintán keresztül a szennyezőanyag tartályból (2) egy kompresszor segítségével (változtatható nyomás) különböző koncentrációjú oldatokat nyomunk át a mintán különböző sebességekkel és időtartamokkal. A vizsgálat befejeztével a mintatest kiépíthető a cellából a további szükséges vizsgálatok elvégzéséhez, mint például nyírószilárdsági paraméterek meghatározása. A cella kialakítása lehetővé teszi, hogy a gyűjtőtartályban (3) felfogott csurgalékokat is elemezni tudjuk, így a mintatest adszorpciós kapacitása is meghatározható. Ennek a tulajdonságának köszönhetően a későbbiekben a cella alkalmas lehet az új típusú reaktív gát töltetanyagán, végzett adszorpciós vizsgálatok elvégzésére is. [18] 5.2. Az új fejlesztésű diffúziós cella A DKS permeabiméterrel végzett diffúziós mérések során, a szemcsés tölteteken a diffúzió mérése sikertelen volt. Ennek okai a cella kialakításából adódtak (nem volt kivitelezhető a reprezentatív mintázás). Ezalatt értendő, hogy a perisztaltikus pumpa újraindításkor nem csupán az adott áramlási elemben lévő oldatot, hanem a minta pórusaiban lévő oldatot is megszívta. Az így fellépő hígulás a szennyezett ágon, vagy egyes esetekben a tiszta ágon megjelenő, nem várt szennyezőanyag koncentráció megjelenés, mind mind arra a következtetésre vezetett, hogy a DKS permeabiméter szemcsés anyagok esetében az adott konstrukció mellett nem alkalmas diffúzió mérésére. A tesztmérések után a feladatom az volt, hogy egy a diffúzió mérésére alkalmas cellát megalkossak. A DKS permeabiméterrel történő méréseket követően a tapasztalatok arra engedtek következtetni, hogy az új cella kialakításában az alábbi kritériumok teljesüljenek: anyaga a szennyeződésekkel szemben ellenálló legyen, a mérés eredményét ne befolyásolja a mintatest beépítése lehetőleg egyszerű és reprodukálható legyen tökéletes vízzáróságot biztosítson párolgás kiküszöbölése reprezentatív mintavétel folyamatos keverés biztosítása hidraulikus gradiens különbségek kizárása Ezeket a paramétereket figyelembe véve az alábbi cella került kialakításra (31. ábra) 44

48 Az új fejlesztésű diffúziós cella részei: 31. ábra Az új fejlesztésű diffúziós cella (A szerző saját munkája) 1.Szennyezett oldat tároló 2.Tiszta oldat (desztillált víz) 3. Mintavevő csap(ok) 4. Tartály kiszakaszoló csap(ok) 5. Mintatároló cső 6 Lezáró kupak(ok) 7. Pneumatikai cső 8. Fixáló elem 9. Gyorscsatlakozó(k) 10. A mintatároló záró eleme 45

49 A mérés menete: 32. ábra Az új fejlesztésű diffúziós cella sematikus ábrája 1. lépés: A mintatároló csőbe belehelyezzük a vizsgálni kívánt mintát, valamint az egyenletes telítést biztosító szűrőköveket, majd a záró elemeket (10) csatlakoztatjuk. 2. lépés: A gyorscsatlakozók segítségével csatlakoztatjuk (9) a pneumatikai csöveken (7) keresztül a mintatárolót az oldattartályokhoz (1; 2). 3. lépés: A tartály kiszakaszoló csapokat (4) nyitott helyzetbe állítva, a szennyezett oldat tárolót (1) desztillált vízzel töltjük, miközben a tiszta oldat tároló (2) mintavételi csapját (3) is nyitott állásba helyezzük. Ennek célja a mintatest légmentesítése. 4. lépés: A légmentesítés után, a tartály kiszakaszoló csapokat (4) zárt állásba kell helyezni. 5. lépés: A tiszta oldalt (2) desztillált vízzel, míg a szennyezett oldalt (1) a vizsgálni kívánt oldattal töltjük fel úgy, hogy azonos mennyiségű folyadék legyen mindkét tartályban. 6. lépés: Az oldat tárolókat (1; 2) ráhelyezzük a mágneses keverőkre, odafigyelve, hogy a mintatároló cső (5) tengelyvonala vízszintes helyzetben legyen. 46

50 7. lépés: A szakaszoló csapok egyszerre történő megnyitásával elindítjuk a mérést. 8. lépés: Mintavételezés. Működésének elve: A két oldat tároló tartály közötti koncentráció különbségek következtében megindul a diffúzió, ami addig tart, amíg a két oldat koncentrációja ki nem egyenlítődik. Itt a diffúzió a szemcsés anyagon keresztül történik meg, ezáltal a töltetanyag effektív diffúziós állandóját tudom meghatározni. Amit Fick II. törvénye alapján tudok számolni. Ehhez ismernem kell: a kiindulási koncentrációkat az idő közben bekövetkezett koncentrációváltozásokat a koncentráció kiegyenlítődés időtartamát a mintatároló cső (azaz a minta) hosszát és átmérőjét A cella paraméterei mivel ismertek és a kiindulási koncentrációk is, így a mérés során csak az idő függvényében bekövetkező koncentrációváltozásokat kell mérnünk. Ezt két féle módon is megtehetjük: I. A tartály kiszakaszoló csapok zárt állásba való helyezése után, a mintavevő csapokon keresztül, mindkét tartályból azonos térfogatú oldatot leengedünk és spektrofotométerrel vagy egyéb analitikai méréssel meghatározhatjuk a két oldalon vett minta koncentrációit. Az idő függvényében így megkapjuk a két oldal koncentráció változásait. A szakaszoló csapok elzárásának célja a két tároló közötti áramlás megakadályozása. A mintavétel után mindkét szakaszoló csapot nyitott állásba kell helyeznem. A méréseket addig kell folytatni, míg a koncentráció gradiens értéke 0 nem lesz. II. A koncentráció változások mérésének egy másik lehetséges módja, ha az oldat tároló tartályokban mérem az oldatok vezetőképességét. Ennél a mérési módszernél is a mérés megkezdése előtt el kell zárnom a szakaszoló csapokat, annak érdekében, hogy a mérő műszer behelyezésekor ne keltsek nyomáskülönbséget a két tartály között (ne hozzak létre áramlást). A vezetőképesség mérése előtt készítenünk kell egy kalibrációs görbét, hogy a vezetőképesség értékeket a későbbiekben át tudjuk számolni koncentráció értékekre. [19] 47

51 Az új fejlesztésű cellán eddig végzett vizsgálatok, igazolták a berendezés működőképességét, viszont az átmérők változása miatt (tartály átmérője 110 mm, pneumatikai cső átmérője 6 mm, mintatároló cső átmérője 50 mm) az effektív diffúziós állandó számítása nem reprezentatív, mivel a diffúzió nem csak a mintatesten keresztül történik (a pneumatikai csőben is diffúzió lép fel). Annak érdekében, hogy ezeket a hibákat kiküszöböljük a diffúziós cella egy módosított változatát terveztem meg (33. ábra). A módosított cellánál igyekeztem kizárni a fent említett problémákat és ennek megfelelően kialakítani azt. 33. ábra Az új fejlesztésű módosított diffúziós cella sematikus ábrája A módosítások a következőek voltak: nincsenek átmérőváltások, az egész cella egységes átmérővel rendelkezik az előző cellához képest kisebb méretű indirekt módon történő koncentrációmérés könnyebb kezelhetőség egyszerűbb légmentesítés a folyamatos keverés jobban biztosított 48

52 34. ábra Az új fejlesztésű módosított diffúziós cella részei sematikus ábrán Részei: 1. Lezáró kupak 2. Elektróda pár 3. Feltöltő csonk 4. Túlnyomás szabályzó csap 5. Szennyezett oldat tartály 6. Csatlakozó elem 7. Mintatároló cső 8. Tiszta oldat tartály 9. Leürítő/légtelenítő csap 10. PC csatlakozó 11. Menetes szárak (rögzítés) 49

53 12. Beoltó fecskendő 35. ábra Az új fejlesztésű módosított diffúziós cella részei Működési elve nem tér el az előző diffúziós celláétól (31. ábra). A koncentráció gradiens különbségek hatására itt is elindul egy koncentráció kiegyenlítődés, amit indirekt módon vezetőképesség meghatározásával követünk nyomon, mindkét tartályban. A két elektróda folyamatosan méri az adott tartályban lévő vezetőképességet és egy adatgyűjtő segítségével az idő függvényében raktározza azokat. Az indirekt mintázás miatt elengedhetetlen a mérések megkezdése előtt, az adott szennyezőanyag vezetőképesség kalibrációs görbéjét felvenni, hogy később a számítások során vissza tudjuk koncentráció értékekké váltani a mért értékeket. A vizsgálat során mindkét tartályban keverésre van szükség az egyenletes mérés érdekében, valamint így egyes szennyezők kiválása is meggátolható. A folyamatos keverés mágneses keverők segítségével biztosítható és a keverés sebessége is szabályozható. A mérés menete: 1. lépés: A mintatároló csőbe (7) beépítem a vizsgálni kívánt szilárd anyagot. A cső két végébe ezután a mintától nagyobb porozitású vékony szűrőkövet/szövetet helyezek (így biztosítom az egyenletes telítést és meggátolom a vizsgálni kívánt anyag kiszóródását). 2. lépés: A mintatároló csőhöz a csatlakozók segítségével rögzítem a szennyezett (5) és tiszta (8) oldattároló csöveket, melyeket előzetesen már kupakkal (1) lezártam. Az összeszerelést követően a menetes szárakat behelyezem a kupakok furatába és a csavarok segítségével rögzítem a cellát. 3. lépés: A leürítő csapot (9) nyitott állásba helyezzük, majd a feltöltő csonkon (3) keresztül, desztillált vízzel átáztatjuk a mintát, míg légmentessé nem válik. A gyorsabb és jobb hatásfokú légtelenítés érdekében célszerű nagy víznyomást biztosítani (36. ábra), ami a feltöltő tartály és a diffúz cella közötti hidraulikus gradiens értékével szabályozható. A légtelenítést végezhetjük vákuum mellett is, az a módszer sokkal jobban garantálja, hogy nem marad a mintatestben olyan levegőbuborék, amely a mérést a későbbiekben meghamisítja. 4. A mintatest légtelenítését követően a leürítő csapot elzárva, feltöltjük desztillált vízzel a teljes cellát és ráhelyezzük a mágneses keverőkre. 50

54 36. ábra Az új fejlesztésű módosított diffúziós cella légtelenítésének ábrája (A szerző saját munkája) 5. A feltöltést követően, a feltöltő csonkhoz csatlakoztatunk egy fecskendőt, ami tömény oldatot tartalmaz. A csatlakoztatás után megnyitjuk a túlnyomást szabályozó csapot. Amint ezzel elkészültünk befecskendezzük a kívánt anyagot és minden kimeneti nyílást elzárunk. 6. Bekapcsoljuk a mágneses keverőt és elindítjuk az adatgyűjtő szoftvert. 37. ábra Mágneses keverő (A szerző saját munkája) 51